污泥农用的重金属安全性试验研究
摘要：为确定城市污水的污泥农用过程中是否存在重金属毒害，系统 研究 了桂林城市污水的污泥中重金属特征和使用污泥肥料后农产品中的重金属含量。研究表明：①桂林城市污水的污泥中重金属含量较我国其他城市略低;②EDTA提取污泥时，重金属的提取率在23%～60%，这部分重金属有可能被植物吸收;③污泥有机复合肥肥效显著。施用污泥复合肥与施用其他肥料相比较，稻谷和稻茎中的重金属含量无明显差异，符合国家标准。
关键词：污泥 农业利用 重金属
尽管城市污水的污泥处置 方法 有多种，但对我国这样一个 发展 中国 家而言，综合利用尤其是农业利用无疑是较好的选择[1、2]。与此同时，污泥农用也存在着二次污染的可能性，这主要源于污泥中含有一定量的重金属和病毒、病原体、寄生虫卵等有害物质。研究表明，选用合适的堆肥方法既可杀灭污泥中致病微生物和寄生虫卵，又不会破坏污泥中的植物养分，但重金属含量较高的污泥施于农田，会集中于植物体，并通过食物链与生物链的传递对人类产生毒害作用。为此，系统研究了桂林城市污水厂污泥的重金属特征，以确定其农用安全性。
1 污泥中的重金属成分
1.1 污泥中重金属含量
桂林城市污水的污泥重金属含量见表1。
|
元素
|
As
|
Cd
|
Cr
|
Cu
|
Ni
|
Pb
|
Zn
|
备注
|
|
桂林市
|
37
|
0.9
|
594
|
154
|
98
|
199
|
506
|
|
|
天津纪庄子
|
10
|
3
|
728
|
336
|
|
669
|
1 095
|
文献 [5]
|
|
广州大坦沙
|
|
|
1550
|
2200
|
462
|
245
|
1 790
|
文献[6］
|
|
中国农用标准
|
75
75 |
5
20 |
600
1000 |
250
500 |
100
200 |
300
1000 |
500
1000 |
酸性土壤pH＜6.5
中性和碱性土壤pH≥6.5 |
|
瑞典污泥
|
|
5～15
|
50～200
|
500～1500
|
25～1000
|
100～300
|
1 000～3 000
|
文献[4]
|
|
加拿大标准
|
10
|
20
|
1000
|
500
|
500
|
200
|
2 000
|
|
|
德国
|
|
10
|
900
|
800
|
200
|
900
|
2 500
|
文献[7］
|
| 注 桂林市数据为4个样品的平均值，中国农用标准为《农用污泥污染物控制标准》GB4284-84。 | ||||||||
由表1可以看出，与国内其他城市的污泥相比，桂林城市污水的污泥中砷含量偏高，而镉、铬、铜、镍、铅和锌都较低。与国外标准相比较，只有砷、铬含量偏高。根据《农用污泥污染物控制标准》GB 4248-84，桂林城市污水的污泥中各重金属的含量除锌略高外，其他重金含量均低于我国农用污泥酸性土壤最高容许含量，可以考虑用作农业肥料。
1.2 污泥中重金属的活动性
污泥中重金属的毒害性除与含量高低有关外，还取决于其存在形式。EDTA(乙二胺四乙酸)是一种弱有机酸，可提取土壤中有机和无机络合物交换点上的金属，还可释放水溶态物质中的金属，而不破坏硅酸盐矿物晶格中的金属，因此EDTA溶液的提取量可代表植物的可吸收量。由EDTA溶液对桂林市污泥的试验结果(表2)可以看出，各种金属的提取率在23%～60%，即当污泥施于农田时23%～60%的重金属可被植物吸收。
|
元素
|
As
|
Cd
|
Cr
|
Cu
|
Pb
|
Zn
|
|
污泥原样(mg/kg干污泥)
|
29
|
1.3
|
450
|
137
|
63
|
515
|
|
提取后残渣(mg/kg干污泥)
|
12
|
1.0
|
290
|
97
|
25
|
380
|
|
提取率(%)
|
59
|
23
|
36
|
29
|
60
|
26
|
| 注 EDTA提取液的pH值为9.0，浓度为0.1 mol/L。 | ||||||
2 污泥农用
2.1 研制有机复合肥
研制有机复合肥的生产工艺流程如图1所示。
根据广西土壤条件的水稻种植经验，结合桂林市污泥的特点，以桂林市污泥为基质，适当添加尿素、过磷酸钙和生物钾肥研制成有机复合肥，其肥分约为(以重量计)：N占11%，P2O5占4%，K2O占5%，外观呈黑褐色。
2.2 有机复合肥在早稻上的 应用 试验
为检验所制复合肥的肥效，于1999年4月8日—7月6日在桂林市农业 科学 研究所的稻田进行了试验。
2.2.1 试验肥料
① A：污泥有机复合肥，含氮、磷、钾分别为11%、4%和5%。
② B：污泥有机复合肥，含氮、磷、钾分别为10.7%、3.6%和4.7%。
③ C：市售四川新都产华丰牌高效三元复合肥，含氮、磷、钾分别为13%、5%和7%。
④ D：不施肥。
2.2.2 试验设计
试验水稻品种为金23保持系，生育期99d，采用随机区组设计，4个水平，3个区组。第一组A、B、C施用量均为25kg/亩(667m2);第二组A、B、C施用量均为40kg/亩(667m2);第三组A、B、C施用量均为55kg/亩(667m2);D均为对照，不施肥。共有12个小区，每个小区面积为13m2。试验肥料均作为底肥一次性施入，每个小区设置田埂作为隔离，施肥后耙平耙均，以后各项技术措施(追肥、病虫防治、排灌等)均相同。
2.2.3 试验结果
① 从禾苗长势看，施用有机复合肥A和B的各小区均明显好于对照区，与施用华丰牌的各小区无明显区别。
② 从干粒重和有效分孽看来，施用复合肥的各小区差异不明显，但均好于对照区，施用复合肥的各小区结实率无显著差异，均高于对照区。
③ 施用有机复合肥A、B分别比对照区组增产19%和18%，均比华丰牌复合肥的增产效果(13%)高(表3)。
|
处理
|
区组
|
小区平均
产量(kg) |
平均亩产量
(kg) |
比对照
组增产 |
||
|
Ⅰ
|
Ⅱ
|
Ⅲ
|
||||
|
A
B C D |
9.71
8.90 8.87 8.15 |
10.56
10.88 10.23 8.08 |
8.88
9.20 8.52 8.26 |
29.15
28.98 27.62 24.49 |
486
483 460.5 408 |
19%
18% 13% |
3 施用复合肥后农产品中的重金属含量
系统采集各种早稻稻谷及稻茎样品，测定重金属含量以检验施用污泥有机复合肥后稻谷的安全性。由表4可知，不同稻谷中重金属元素的平均含量大致相同，砷、镉的含量均符合国家标准。
由表5可知，施用不同肥料的稻茎中砷含量一般在检出限以下;镉、铬、铜、镍、铅、锌元素在不同稻茎中的平均含量基本相同。
对不同稻谷、稻茎中重金属元素含量进行的方差 分析 见表6和表7。数据表明：①对稻谷来说，各种肥料间F值在0.86～1.50，均小于临界值4.76，说明施用不同肥料的稻谷重金属含量差异不显著。而区组间F值在0.06～1.02，均小于临界值5.14，说明区组间稻谷重金属含量差异不显著，取样、分析误差小。②对稻茎而言，各种肥料间F值在0.08～4.46，均小于临界值4.76，说明施用不同肥料对稻茎重金属含量 影响 不显著。而区组间F值在0.10～1.98，均小于临界值5.14，说明区组间稻茎重金属含量差异不显著，取样、分析误差小。
表4 早稻稻谷中重金属元素含量 mg/kg
|
样号
|
As
|
Cd
|
Cr
|
Cu
|
Ni
|
Pb
|
Zn
|
|
A1
|
-
|
0.02
|
10
|
20
|
7
|
11
|
19
|
|
A2
|
-
|
0.03
|
9
|
12
|
8
|
10
|
16
|
|
A3
|
-
|
0.02
|
9
|
13
|
9
|
12
|
23
|
|
平均值
|
|
0.023
|
9.3
|
15
|
8
|
11
|
19.3
|
|
B1
|
-
|
0.01
|
9
|
12
|
7
|
9
|
30
|
|
B2
|
-
|
0.01
|
10
|
13
|
7
|
11
|
21
|
|
B3
|
-
|
0.02
|
12
|
12
|
11
|
10
|
29
|
|
平均值
|
|
0.013
|
10.3
|
12.3
|
8.3
|
10
|
26.7
|
|
C1
|
-
|
0.03
|
10
|
12
|
9
|
11
|
44
|
|
C2
|
-
|
0.02
|
9
|
12
|
8
|
9
|
29
|
|
C3
|
-
|
0.01
|
8
|
12
|
7
|
8
|
20
|
|
平均值
|
|
0.02
|
9
|
12
|
8
|
9.3
|
31
|
|
D1
|
-
|
0.02
|
9
|
12
|
8
|
9
|
23
|
|
D2
|
-
|
0.03
|
11
|
17
|
11
|
10
|
54
|
|
D3
|
-
|
0.02
|
10
|
13
|
8
|
9
|
26
|
|
平均值
|
|
0.023
|
10
|
14
|
9
|
9.3
|
34.3
|
|
国家标准
|
0.7
|
0.2
|
|
|
|
|
|
|
注 1 国家标准值依据《食品中镉允许量标准》GB38—84和《食品卫生标准》GB 2715—81。
2 A、B、C、D后的1、2、3分别表示不同的施肥量：25、40、55kg，下表同。 3 表中数据为中南 工业 大学重点实验室测定，分析 方法 均为等离子-原子发射光谱法，“-”表示含量＜0.05。 |
|||||||
表5 早稻稻茎中重金属元素含量 mg/kg
|
样号
|
As
|
Cd
|
Cr
|
Cu
|
Ni
|
Pb
|
Zn
|
|
JA1
|
-
|
0.06
|
37
|
21
|
20
|
17
|
87
|
|
JA2
|
-
|
0.04
|
24
|
19
|
14
|
14
|
74
|
|
JA3
|
-
|
0.05
|
25
|
19
|
14
|
17
|
77
|
|
平均值
|
|
0.05
|
28.7
|
19.7
|
16
|
16
|
79.3
|
|
JB1
|
-
|
0.05
|
29
|
17
|
15
|
17
|
62
|
|
JB2
|
-
|
0.06
|
35
|
22
|
17
|
14
|
101
|
|
JB3
|
-
|
0.04
|
22
|
55
|
14
|
15
|
59
|
|
平均值
|
|
0.05
|
28.7
|
31.3
|
15.3
|
15.3
|
74
|
|
JC1
|
-
|
0.06
|
46
|
22
|
17
|
19
|
90
|
|
JC2
|
-
|
0.06
|
31
|
22
|
18
|
17
|
104
|
|
JC3
|
-
|
0.05
|
25
|
18
|
13
|
16
|
67
|
|
平均值
|
|
0.05
|
34
|
20.7
|
16
|
17.3
|
87
|
|
JD1
|
1.7
|
0.06
|
37
|
21
|
20
|
19
|
88
|
|
JD2
|
-
|
0.05
|
23
|
18
|
13
|
16
|
59
|
|
JD3
|
-
|
0.06
|
39
|
21
|
18
|
26
|
86
|
|
平均值
|
|
0.057
|
33
|
20
|
17
|
20.3
|
77.7
|
表6 稻谷重金属含量方差分析F检验值
|
项目
|
Cd
|
Cr
|
Cu
|
Ni
|
Pb
|
Zn
|
临界值
|
|
肥料间 F值
|
1.14
|
0.93
|
1.50
|
1.00
|
1.22
|
0.86
|
F0.05(3，6)＝4.76
|
|
区组间 F值
|
0.43
|
0.07
|
0.51
|
1.02
|
0.06
|
0.23
|
F0.05(2,6)＝5.14
|
表7 稻茎重金属含量方差分析F检验值
|
项目
|
Cd
|
Cr
|
Cu
|
Ni
|
Pb
|
Zn
|
临界值
|
|
肥料间 F值
|
0.08
|
0.42
|
0.81
|
0.19
|
2.03
|
4.46
|
F0.05(3，6)＝4.76
|
|
区组间 F值
|
0.10
|
1.98
|
0.73
|
1.53
|
1.69
|
0.60
|
F0.05(2,6)＝5.14
|
因此，施用污泥有机复合肥未造成稻谷中重金属元素含量的增加，污泥有机复合肥是安全的。
4 结论
① 对桂林市4个污水厂污泥的系统测定表明，污泥中有机质、氮、磷和钾等有益成分含量较高。而重金属等含量较低，基本符合国家有关污泥农用标准。
② 田间试验表明，有机复合肥肥效好，水稻施用有机复合肥后增产18%～19%，肥效略优于市售的华丰牌复合肥。
③ 对施用污泥有机复合肥的稻谷进行的测试表明，其中的重金属含量与施用其他肥料的稻谷无明显差别。
④ 由于污泥中仍有23%～60%的重金属有可能被植物吸收，而重金属又有逐渐累积的特点，因此长期使用污泥肥料需进行必要的监测。
参考 文献 ：
[1]王敦球，解庆林，李金城，等.城市污水污泥农用资源化 研究 [J].重庆环境 科学 ，1999，21(6)：50-52.
[2]韦朝海，陈传好.污泥处理、处置与利用的研究现状分析[J].城市环境与城市生态，1998，11(4)：10-13.
[3]国家环境保护局.水污染防治及城市污水资源化技术[M].北京：科学出版社，1997.
[4]吴启堂，林毅，曾海思.城市污泥作复合肥粘结剂的研究[J]. 中国 给水排水，1992，8(4)：20-22.
[5]姚刚.德国的污泥利用与处置[J].城市环境与城市生态，2000，13(1)：43-47.
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